基于线阵传感器的小麦播种机播量监测系统的设计与试验

张咪

河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450000

播种机极大地提高了农业播种的效率，但在实际操作过程中存在种子流动难以判断的问题，如种子缺少、管道堵塞等，很难第一时间判断出来，容易造成种子漏播，降低播种质量[1]。播种机播量监测系统则能代替机手的直觉判断，及时发现故障问题并给出声光报警，具备较高的实践推广价值。传感器是播种机播量监测系统的和谐部件，目前使用较多的是光电传感器。随着我国农业现代化进程的加快，播种机播量监测系统的研究受到诸多学者的关注。戈天剑等设计了一种气吸式玉米播种机排种监测系统，主要部件为红外光电传感器和嵌入式微处理器，利用无线网络进行数据传输，若有管道堵塞或种箱排空的故障出现，则会给出声光报警及参数显示，有效加强了单粒式播种的质量[2]。赵立新等设计了一种基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统，主要控制模块为PLC，利用变距光电传感器对播种机的行走速度进行监测，通过PLC 控制调节电机转速和传感器值，并实时显示在触摸屏终端上，根据试验结果，该系统能够将单粒式播种量误差控制在2%以内[3]。谯睿等针对三七播种机的漏播、重播等问题，设计了一种基于激光传感器的三七播种机播量监测系统，落种信号检测电路为加法电路，排种信号通过磁铁片转化为霍尔脉冲信号，试验结果表明，该系统对于单粒式播种有着极高的漏播、重播故障检测准确率[4]。从当前播种机播量监测系统的研究现状看，应用范围主要是单粒式播种，即种子在管道中是一颗颗依次通过，而对于多粒式播种较难监测。本文设计了一种基于线阵传感器的小麦播种机播量监测系统，能够监测多粒式播种的复杂情况，进一步完善当前常用播种机播量监测系统的功能。

1 小麦播种机播量监测系统的结构与工作原理

本系统装置的结构如图1 所示。硬件壳体长200 mm，宽80 mm，高70 mm，以点光源作为发射端，波长为640 nm。监测区域长50 mm，宽25 mm，高70 mm。发射端和接收端的凸透镜焦距、直径皆为50 mm，在发射端凸透镜焦点上布置点光源，形成一束平行光，能够照射不同的监测位置。在接收端凸透镜焦点上布置线阵传感器，确保平行光束可以在线阵传感器感光区域中汇聚。由于种子通过监测区域的时候，会将一部分光线遮挡掉，以光强控制的输出电压出现变化，进而使得线阵传感器的信号产生变化，系统软件根据信号计量和监测播种情况。此外，系统还可以根据种子量变化的监测数据，判断是否存在种箱排空故障。

2 小麦播种机播量监测系统设计

2.1 硬件设计

本系统的控制核心采用英锐恩公司生产的32 位单片机，型号为EN8P432，主要是通过时钟信号和串行输入信号对线阵传感器进行控制，然后由监测软件读取线阵传感器输出电压数据，实现信号数据的采集。监测软件的液晶显示屏采用京东方生产的HT121X01-100 显示屏，用以显示小麦播量的实时信息。本系统的声光报警模块硬件由蜂鸣器和LED 灯组成，当系统监测到播种机故障时，声光报警模块会及时发出预警，提醒机手进行故障的查找与排除（图2）。

图2 系统硬件结构图Fig.2 System hardware structure

2.2 软件设计与监测算法

2.2.1 软件设计EN8P432 单片机的工作模式为“定时中断”，读取线阵传感器数据的间隔时间为1 ms，根据数据与初始基准值的比较结果：当某一位数据与基准值之差＞阈值，则系统会判断该数据相应光线有种子遮挡，该值在系统中计为“1”，反之则计为“0”。通过Visual Studio 对终端观测软件进行设计，系统观测界面见图3。EN8P432 单片机对采集到的线阵传感器数据进行统计分析，并将结果反馈给终端观测软件，在观测软件中根据时间序列进行显示，主要是小麦种子通过线阵传感器感知区域的图像数据。图3 中为单粒种子的通过图像，考虑到小麦种子的多粒式播种，从终端观测软件中截取2 颗小麦种子同时通过线阵传感器的图像（图4）。

图3 系统观测界面Fig.3 The interface of system observation

图4 两颗小麦种子的数据图Fig.4 S Data map of two wheat seeds

从图4 中可以看出，2 颗小麦种子的独立区域较为明显，方便种子计数和识别。图3 与图4 都有个别“0”出现在连续“1”中，数据连续性有所阻断。产生该现象的原因主要是小麦种子表明有少量的散射光产生，使得局部区域的亮度有所上升，导致光强的变化差值难以超过阈值，形成一定的干扰，这些因素应在后续处理中去除。

2.2.2 监测算法 根据小麦种子通过线阵传感器的图像数据，同时结合EN8P432 单片机的功能特性，对小麦种子的监测算法进行设计，计算流程如下：EN8P432 单片机每1 ms 读取一次数据，关闭中断，对相关变量进行定义和初始化，采集线阵传感器的数据并进行二值化，针对干扰因素进行数据滤波，从左到右以此对每一个像素点进行扫描，记录下连续“1”的所有区域，将这些区域与上一行数据的对应区域进行对比，判断两类数据是否连通，如果连通则判断为同一颗种子，如果不连通则种子数量加1，对当前的数据进行保存，结束流程。

由于干扰因素导致数据连续性阻断，因此设计了数据滤波算法：对每位数据扫描，若某一位数据为“0”，而前后的数据都是“1”，则将该数据改成“1”，以确保“1”区域数据的连续性。种子计数算法：设每个数据左、右、上方都连通的区域记为一颗种子，若不连通则判断另一块区域为新的种子。

3 监测试验

3.1 试验台搭建

试验台使用铝型板材制作，试验电机为24 v 直流减速电机，为播种机的连接轴提供所需动力，连接轴的转速由数字转速表测量与显示。监测系统装置安装在播种机的正下方，连接播种管道。因为本系统每1ms 扫描一次，如果小麦种子通过的速度过快，则可能会有漏检的情况出现，所以要对播种机和监测系统装置垂直的距离进行限制，确保小麦种子落下速度比系统设置的最高监测速度低。

3.2 单粒种子的监测试验

选用中熟型济麦22 号小麦种子，每千粒的重量平均为11.23 g，种子含水率约为10%，小麦种子的体积在23 mm3～30 mm3之间。使用机投方式试验单粒播种，投放的高度为160 mm，每一次播种的数量为300 粒，前后重复4 次，对本系统监测到的播种数量进行记录。根据试验结果，系统对4 次操作监测到的播种数量都是300 粒，监测准确度达到了100%。

3.3 种子播量的监测试验

首先进行种子播量的计数监测试验。按照小麦播种机的转速范围规范[5]，本次试验采用的转速分别为20 r/min、30 r/min、40 r/min。将2000 粒中熟型济麦22 号小麦种子放进播种机，每一次试验都排尽播种机中的小麦种子，每一种转速都反复试验10 次，得出监测系统的计数结果：20 r/min 转速下平均为1966 粒，准确度98.30%；30 r/min 转速下平均为1957 粒，准确度97.85%；40 r/min 转速下平均为1942 粒，准确度97.10%。从计数监测结果可以看出，当转速上升时，准确度呈下降趋势，但下降幅度不大。

其次进行连续播种条件下的准确度试验。转速20 r/min 时试验10 min；转速30 r/min 时试验20min；转速40 r/min 时试验30 min。监测结果如表1 所示。

表1 连续播种条件下的准确度统计Table 1 Accuracy statistics under the condition of continuous seeding

从表1 的统计结果可以看出，在连续播种条件下，不同转速的准确度皆＞97%，且随着时间的增加，准确度也有所提高。

3.4 故障报警试验

在播种轴的转速为20 r/min 时，当系统运行稳定之后，将种子全部排空并让播种机继续工作，观察系统能否发出排空报警。然后堵上监测系统装置与播种机的连接口，启动电机，观察系统能否发出堵塞报警。两种故障报警均试验10 次，结果每次都能发出正常的声光报警。

4 结论

基于线阵传感器的小麦播种机播量监测系统，相对于目前常用的小麦播种机播量监测系统来说，既能实现单粒式播种监测，也能实现多粒式播种监测。根据试验结果：当单粒播种的投放高度为160 mm 时，本系统的监测准确率达到了100%；将转速设置为20 r/min、30 r/min、40 r/min 时，种子播量的监测准确度都超过了97%，但是转速上升时，准确度有所下降，其中在转速为20 r/min 的时候，准确度最高；在连续播种条件下，不同转速的准确度都超过了97%，且随着时间的增加，准确度有所提高。在故障报警方面，每次试验都能发出正常的声光报警。试验结果表明，本系统与小麦播种机的结合，能够有效监测出小麦播种量，有较大的推广价值。